杨 洁，刘 鑫，何 良
(1.成都航空职业技术学院，四川 成都 610100;2.国网四川省电力公司成都供电公司，四川 成都 610041;3.清华四川能源互联网研究院，四川 成都 610213)
35 kV金属封闭式开关柜用于接收和分配电能，并对电路进行控制、保护和监测，在配电网中广泛使用，其运行可靠性对于电网的安全稳定运行具有重要意义。在长期运行过程中，由于环境温度、湿度、过电压、绝缘老化等影响，开关柜绝缘性能逐渐劣化，导致绝缘强度降低，甚至造成严重事故[1]。据统计，开关柜故障中绝缘故障超过50%，而绝缘故障发生前期往往伴随着局部放电现象[2]。因此，开展开关柜局部放电带电检测及诊断具有重要意义[3]。
开关柜内部发生局部放电时，一般伴有光、电、声、热等现象，因此可采用紫外成像、红外成像、特高频(ultra high frequency，UHF)、暂态地电压(transient earth voltages，TEV)、高频(high frequency，HF)、超声波(acoustic emission，AE)等多种方法开展检测与诊断[4-7]。高频法需要在带电显示器处加装高频电流传感器(high frequency current transformer，HFCT)，而开关柜带电运行时禁止打开柜门，导致该方法现场使用受到限制[8]。紫外成像法及红外成像法适用于敞开式设备，而开关柜密封性好，导致这两种方法使用效果不佳[9]。特高频、暂态地电压及超声波法，作为目前开关柜局部放电检测中应用最广泛的方法，已成功发现多起放电缺陷，但这几种方法具有一定的局限性，往往需要将多种方法综合运用才能实现局部放电缺陷的检测、识别与定位[10-12]。
下面以某110 kV变电站35 kV开关柜局部放电缺陷为例，介绍了缺陷检测、分析及定位的过程，并通过解体验证，为开关柜局部放电缺陷分析及处理积累了经验。
某110 kV变电站开关柜型号为KYN61-40.5，额定电压为40.5 kV，额定频率为50 Hz，额定电流为1250 A，出厂时间为2014年7月。
2020年7月，在对该变电站内35 kV开关柜开展带电检测时，发现335开关柜超声波数据异常，具有典型绝缘类局部放电信号特征，最大值出现在335开关柜后部下半部分区域，即电缆室下半部分。
为进一步确认该异常信号，采用了暂态地电压、特高频等检测手段综合分析。暂态地电压法未发现明显异常; 特高频法检测到明显局部放电信号，且具有典型绝缘类局部放电信号特征，与超声波法检测结果相对应。
通过定位分析，最终判断信号来自开关柜后下部电缆室，靠近A相区域，为固体绝缘类放电。
2.1 超声波检测结果
检测人员采用超声波法对开关柜进行局部放电检测，在335开关柜后柜门缝隙处检测到异常超声波信号，典型图谱如图1所示。图1(a)为连续模式图谱，信号有效值及周期最大值分别为7.8 mV、16.8 mV，均大于背景值的2 mV和2.5 mV，信号具有50 Hz及100 Hz相关性，且后者大于前者；
图1(b)为相位模式图谱，在一个工频周期内有两簇放电信号，呈“驼峰”状，信号幅值较分散，相位分布较广；
图1(c)为时域模式图谱，在一个工频周期内存在两个“峰值”。综合判断，该信号具有典型固体绝缘放电特征。
(a) 连续模式
(b) 相位模式
(c) 时域模式图1 超声波检测图谱
通过横向对比发现，335开关柜后下部分超声波信号幅值最大，初步判断局部放电信号来自335开关柜内部。
2.2 特高频检测结果
采用特高频法进行局部放电检测，在335开关柜后下部分缝隙处检测到明显的特高频信号，典型图谱如图2所示。可以看出，在工频相位的正、负半周均有放电信号，放电次数较多，信号幅值变化较大，最大值将近54 dB。放电信号相位主要集中在90°及270°附近，具有对称性，疑似固体绝缘类放电，与超声波检测结果相对应。
(a) PRPS图谱
(b) PRPD图谱图2 特高频检测图谱
在335开关柜附近空间背景中及相邻开关柜缝隙处，均未检测到异常特高频信号。通过横向对比，判断局部放电信号来自335开关柜内部。
2.3 暂态地电压检测结果
使用暂态地电压法对335开关柜进行局部放电检测，分别选取开关柜前(中、下)、侧(上、中、下)、后(上、中、下)等多个点位进行测试。开关柜暂态地电压检测结果与背景值相近，约为15 dB，未见明显异常。
2.4 综合分析
考虑到单一检测手段的局限性，在现场采用了超声波法、特高频法、暂态地电压法等手段，检测表明335开关柜内部存在放电信号。该信号在一个工频周期内存在两簇放电脉冲，其100 Hz相关性大于50 Hz相关性，信号幅值变化较大，相位分布较宽，疑似为固体绝缘类放电。
为进一步确认放电源位置，采用电磁波时差法对局部放电源进行定位，原理如图3所示。通过比较电磁波到达传感器的时间先后顺序，判断局部放电源更靠近哪个传感器。
图3 时差法原理
由于开关柜密封性好，传感器布置位置受到限制，仅能开展水平方向、竖直方向的定位分析。特高频传感器布置在335开关柜后下部分缝隙处，如图4所示。
图4 传感器布置
水平方向定位结果如图5所示，可以看出特高频传感器2处接收到的局部放电信号领先特高频传感器1约2 ns，表明局部放电源与传感器2的距离比传感器1近60 cm，即局部放电源在开关柜中偏右的位置处。
图5 水平方向定位结果
竖直方向定位结果如图6所示，可以看出特高频传感器4处接收到的局部放电信号领先特高频传感器4约2.5 ns，表明局部放电源与传感器4的距离比传感器3近75 cm，即局部放电源在开关柜下半部分中偏下的位置处。
图6 竖直方向定位结果
开关柜结构如图7所示，后下部分为电缆室，包含接地开关、避雷器、电缆、电流互感器、绝缘板等多个元器件。结合开关柜结构及定位结果，判定该固体绝缘类放电缺陷位于电缆室内靠近A相区域。
图7 开关柜结构
为消除故障隐患，先将335开关柜及其他相关设备停电，再将开关柜小车摇至检修位置并开柜检查，发现335开关间隔电缆室内A相避雷器引线与绝缘隔板间存在明显放电痕迹，如图8所示。
图8 局部放电痕迹
分析发现，由于A相避雷器引线过长，致使引线与绝缘隔板间绝缘距离过近引发局部放电。停电检查与带电检测的结果相符，验证了带电检测技术的有效性。对A相避雷器引线及绝缘隔板进行处理并恢复送电后，对该开关柜再次进行了带电检测，局部放电信号消失。
1)采用带电检测技术可以有效发现开关柜内部局部放电缺陷。综合使用多种检测方法分析诊断，可避免单一检测方法的不足，为开关柜的状态检修提供可靠依据。
2)所述放电故障是由于避雷器引线与绝缘隔板间距离过近，导致局部场强过高，引发局部放电。故现场安装中应严格控制工艺，避免该类现象再次发生。
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